胶质淋巴系统在中枢神经系统疾病中的研究进展

何晓峰 邓文静

1）郑州大学第一临床医学院，河南 郑州 450052 2）郑州大学第一附属医院，河南 郑州 450052

淋巴系统为脊椎动物所特有的，由引流淋巴管、淋巴管以及相应的淋巴器官所构成。淋巴循环遍布人体大部分组织，将间质液体、免疫细胞和大分子输送到淋巴结节，然后回到血液循环，协助清除间质中代谢废物以维持体液稳定，并发挥免疫监测和炎症期间引导免疫细胞的运输作用［1］。过去由于在人类大脑中未发现衬附内皮细胞的淋巴管，所以人们曾普遍认为中枢神经系统缺乏经典淋巴管构造，也不具有完善的淋巴循环系统［2］。然而，随着大脑中复杂的淋巴网络逐渐被发现，彻底改变了人们对于这一结构的认知。本文围绕中枢胶质淋巴系统的结构与功能展开，阐述胶质淋巴系统在多种中枢神经系统疾病中的作用，进而探索临床治疗新思路。

1 大脑血管周围间隙（perivascular space，PVS）

了解大脑PVS的结构有助于我们更好地认识胶质淋巴系统。Virchow 在1851 年描述了脑穿通血管的内/中膜和外膜之间的微小空间，并认为它们直接与蛛网膜下腔相连。1859年，Robin 描述了这些相似的空间，但其认为它们是存在血管外膜中的闭合通道［3］。因此PVS 又被称为Virchow-Robin 间隙（VRS）。通常认为PVS是包绕着大脑小动脉和小静脉含有液体的微小组织间隙，内壁为血管壁，外壁为大脑星形胶质细胞足突，其间包含的各种物质及空间均属于PVS范畴，但关于PVS的精准解剖结构以及是否与蛛网膜下腔直接相连一直存在争议。

1982 年，KRAHN［4］在猫和兔身上进行扫描电子显微镜研究，发现走行在蛛网膜下腔的血管被软脑膜细胞覆盖，并在动脉穿通支入脑处和静脉出脑处将软脑膜反折到脑表面，这说明PVS 并不是直接与蛛网膜下腔相通的。1990 年，ZHANG等［5］通过透射电子显微镜观察肿瘤患者切除的新鲜额、颞叶皮质，进一步发现动脉在蛛网膜下腔和大脑内走行时均有一层软脑膜细胞形成的鞘包绕，随着动脉进入大脑深处走行，软脑膜细胞层出现穿孔变得不完整，至毛细血管水平已无可识别的软脑膜细胞；而静脉周围仅有少量的软膜细胞与血管壁相连，PVS与软膜下间隙汇合（见图1）。

图1 大脑额颞叶皮质内血管PVS结构示意图Figure 1 Schematic diagram of PVS structure of vessels in frontal and temporal cortex of brain

1997 年，通过扫描电子显微镜对人大脑基底节区动静脉结构的研究中发现，进入基底节的小动脉从蛛网膜下腔穿入皮质时，包裹在两层柔软脑膜内，内膜紧密贴合在小动脉壁上，外膜与软脑膜延续，两层中间的空间就是PVS（见图2左）；而在静脉周围只有一层薄薄的柔软脑膜覆盖，形成PVS的内壁，外壁由覆盖在胶质细胞界限基底膜上的胶原纤维形成，这些PVS 与软脑膜下空间相通（见图2 右）［6］。后续在啮齿动物和人类研究中发现小动脉周围间隙（PAS）与蛛网膜下腔相通［7-8］。随着研究不断深入，研究总结指出，通过大脑底部进入基底节的小动脉如前所述由两层脑膜包绕，而通过凸起皮质进入大脑的小动脉和所有小静脉被一层软脑膜层包围（见图2）［9］。最近，MESTRE等［10］通过对小鼠软脑膜标志物ERTR7进行高分辨率成像发现，软膜细胞呈网状，在脑和软脑膜传入血管表面形成了一个有窗的网状结构。根据穿支小动脉周围软膜细胞的密度及覆盖方式的不同将PAS 分为A（25%）、B（58%）、C（17%）三种类型（见图3），PAS类型在脑表面的分布与不同脑区部位和血管的横截面积无关。研究还通过注射脑脊液示踪剂后计算脑脊液示踪剂覆盖的PAS面积大小发现，尽管小鼠脑内三种PAS的解剖结构不同，但软脑膜并不是小分子或脑脊液流动的屏障，证明了PAS与蛛网膜下腔的连续性。

图2 大脑基底小动脉PVS（左）、凸面皮质小动脉和所有静脉PVS（右）结构示意图Figure 2 Structural schematic diagram of PVS of cerebral basilar arterioles（left），convex cortical arterioles and all veins（right）

图3 小鼠脑中三种类型PAS结构Figure 3 Three types of PAS structure in mouse brain

2 胶质淋巴系统

2012年，ILIFF等［11］将荧光示踪剂注入麻醉小鼠的脑池，使用双光子激光扫描显微镜实时观察蛛网膜下腔脑脊液流入脑实质的路径，证明在注射后脑脊液示踪剂以动脉旁PVS的方式迅速进入脑实质扩散到整个大脑，然后交换到间质间隙的脑脊液示踪剂再次沿着引流静脉旁PVS 被迅速清除，反映了脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）和脑组织间质液（interstitial fluid，ISF）交换途径的存在，这些观察首次描述了小鼠存在类似于外周淋巴系统的全脑液体运输途径。由此提出了一个依赖于三个主要组成部分相互作用系统的存在：CSF 沿动脉旁PVS 流入途径、CSF 与ISF 跨实质交换途径和CSF/ISF 沿静脉旁PVS清除途径（见图4），这三个途径均依赖于星形胶质细胞，根据它与外周淋巴系统的功能同源性以及它对神经胶质细胞的依赖，这被称为“胶质淋巴系统”［12-13］。星型胶质细胞的终足位于PVS 的最外侧，在终足上发现了一种水通道蛋白（Aquaporin）AQP-4，ILIFF 等［14］通过动物实验发现在AQP-4 基因敲除的动物模型中，大脑间质中液体和溶质的清除速度较正常动物明显减慢，之后多项关于胶质淋巴系统的研究提出星形胶质细胞终足上的AQP-4在脑脊液的定向流动中发挥关键作用，脑脊液由大脑动脉搏动等驱动，通过对流运动从蛛网膜下腔通过PVS 进入脑实质。但也有研究驳斥了这种说法，他们发现动脉旁空间局部混合与扩散运动的结合即弥散运动（流动的流体因速度不均匀而引起一种对溶质扩散运动的加强作用）才是溶质从PVS 向脑实质的传输的运动形式［15-16］，动脉搏动的作用仍不清楚，有可能颅内压才是PVS中液体运动的驱动力，动脉搏动只是在增强PVS 和脑实质间的弥散运动方面发挥作用［17］，另外AQP-4 缺失或心脏骤停不会影响脑脊液的流入［18］。尽管有争议，但是星形胶质细胞AQP-4 在不同疾病模型中对快速淋巴运输是必不可少的［19］。CSF 通过动脉旁间隙流入脑实质后，与ISF 发生交换，随后沿着静脉旁间隙流出，这种液体外流携带亲水性和亲脂性分子流入蛛网膜下腔［20］。这一过程能够从脑实质中去除淀粉样β蛋白（Aβ）［11］、tau蛋白［21］、α-突触核蛋白（α-synuclein，α-Syn）［22-23］等，是去除潜在有害代谢废物的重要途径。

图4 胶质淋巴系统示意图Figure 4 Schematic diagram of glial lymphatic system

3 胶质淋巴系统与中枢神经系统疾病

3.1 神经退行性疾病老年神经退行性疾病包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病（HD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、额颞叶痴呆（FTD）和tau病等。这些蛋白质病显示出复杂独特的病理生理特征，并且都有一个基本特征即聚集了异常加工和错误折叠的蛋白质，如Aβ、tau、α-Syn、TARDNA 结合蛋白43（TDP43）和亨廷顿蛋白（Htt）的突变形式。这些异常的蛋白质失去其原本生理作用，异常聚集并产生新的神经毒性功能［24］。向脑池注入荧光示踪剂比较年轻、中年和老年啮齿动物中胶质淋巴系统功能发现，随着年纪增加，脑脊液流入脑间质显著减少，中年动物的脑脊液流入大约是年轻小鼠的一半，老年动物比年轻动物减少了近80%。这种变化与星形细胞终足AQP-4 极化的丧失有关，尽管AQP-4 的表达水平没有总体变化，但星形胶质细胞的数量显著增加，特别是在大脑中较大的血管周围。随着年龄的增长，AQP-4变得局限于星形细胞的实质突起，而不是终足，因此这些细胞驱动的运输失调。同时也观察到在老年动物中，大脑的某些区域，如纹状体和海马体，似乎有更大的AQP-4极化减少［25］。调查表明老龄小鼠的脑脊液淋巴流出量较年轻小鼠显著减少［26］。在人类中，也观察到了胶质淋巴系统受损和衰老之间的关系，ZHOU等［27］使用磁共振成像来评估老年人的淋巴流动，证明老年人的胶质淋巴循环流出受到损害。这些证据表明胶质淋巴系统改变或受损可能参与年龄相关的神经退行性疾病的病理生理过程。

阿尔茨海默病是世界范围内最常见的认知功能障碍疾病，目前研究认为AD的两个重要病理特征是细胞外的Aβ斑块沉积和细胞内过度磷酸化形式的tau蛋白聚集［28］。淀粉样蛋白级联假说认为，AD患者发病的触发事件是Aβ聚集成寡聚体和不溶性细胞外斑块，由此引发级联反应，刺激可溶性tau 蛋白合成过程中发生错误折叠，这些异常tau蛋白聚集成不可溶的形式，最终导致神经功能退化［29］。尽管AD的一个重要病理特征是tau 蛋白在神经元细胞内部的聚集，但是Prion假说认为，在最初的触发事件之后，错误折叠的tau蛋白被释放到细胞外空间，而后扩散到不同的大脑区域，进入细胞从而进行脑内传播［30］。研究发现神经元可以通过外泌体［31］和胞吐方式［32］释放tau 蛋白到细胞外，AD 早期患者脑脊液中磷酸化tau蛋白含量较高也有很大可能与此相关［33］，因此了解细胞外Aβ和tau蛋白如何从中枢神经系统清除是非常重要的。如前所述ISF 中Aβ蛋白与tau蛋白可通过胶质淋巴系统被清除进入CSF；研究表明，与年龄相关的血管壁变化或血脑屏障破裂导致血源性成分在血管壁和PVS 中积聚，这会导致PVS增宽或功能障碍，从而导致血管壁和大脑中Aβ蛋白的沉积［30］。星型胶质细胞终足表面的AQP-4也是胶质淋巴系统清除的关键，AQP-4 缺失会加剧现有的tau 病理，可能是因为tau 聚集体没有被及时清除出大脑。同时AQP-4缺失也是导致老化的大脑容易发生Aβ聚集和神经变性的因素之一，而年龄相关的AQP-4定位改变可能位于蛋白质错误聚集过程的上游，提示靶向治疗AQP-4 定位改变可能有效地对Aβ斑块或神经纤维缠结形成进行干预［35］。

PD 也是一种常见的年龄相关神经系统退行性疾病，α-Syn在神经细胞内异常蓄积，在PD发病及进展中起重要作用，聚集的α-Syn是神经元内包涵体的主要成分，即路易体（Lbs）和路易神经节（Lns），是PD的主要病理特征［36］，研究发现α-Syn 也具有Prion 假说中的传播性质［37］。ISF中α-Syn可通过胶质淋巴系统被清除进入CSF，通过较少AQP-4表达使胶质淋巴功能受损，加重小鼠脑中的帕金森病样病理［23］，表明胶质淋巴系统功能障碍加重了α-Syn 异常聚集的病理变化，促进了PD的病情进展。

3.2 脑小血管疾病（Cerebral small vessel disease，CSVD）脑小血管病（CSVD）是一种与老化密切相关的慢性全脑疾病，主要涉及直径为40～200 μm 的脑小血管结构和功能的紊乱［38］，是卒中和血管性痴呆的常见原因，在影像学上表现为脑白质病变、微出血和PVS 扩大。CSVD 的几种机制包括血脑屏障功能障碍、血管硬化、脑血流量减少、ISF引流功能障碍和炎症［39］，然而其确切发病机制尚不清楚。PVS 这一解剖结构在脑小血管病和胶质淋巴系统中都扮演重要角色，提示两者可能有十分紧密的联系。动脉搏动是胶质淋巴系统流入的主要驱动力，动脉硬化可能阻碍淋巴流入［40］，血脑屏障转运和胶质淋巴清除途径被认为在维持良好的神经环境中发挥互补作用和部分重叠机制［41］。而CSVD 的特点是血管周围间隙的结构重建和可逆性白质水肿，因此可能是胶质淋巴系统功能障碍导致CSVD［8］。ZHANG 等［42］通过研究使用改进算法后的血管周围空间的扩散张量图像分析指数（mALPS-index）反映胶质淋巴系统清除功能，以mALPS-index 为指标分析CSVD 患者的胶质淋巴系统清除功能与CSVD影像指标、认知功能的关系，结果显示胶质淋巴清除功能可能在CSVD的发生发展中起一定作用。但PVS 在CSVD 病变形成中的因果作用的证据非常有限，MRI 上可见的PVS 可能是一种附随现象，也可能代表其他CSVD病变发展的早期阶段。

3.3 急性脑血管疾病蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）：在小鼠SAH模型和非人类灵长类动物SAH 模型中的研究显示，SAH 发生后24 h 开始，胶质淋巴系统中沿着动脉PVS 的脑脊液流入功能受损，主要是因为血液中的纤维蛋白和纤维蛋白原沉积堵塞在血管周围空间，向脑室内注入纤溶系统激动剂组织型纤溶酶原激活物可以恢复小鼠的脑脊液流量［43］。PU 等［44］通过手术将小鼠自体血注入枕大池中建立SAH 损伤模型，研究发现SAH小鼠脑室内注射的示踪剂沿动脉PVS进入脑实质的能力降低，星形胶质细胞终足上的AQP-4 极化受损，这些都提示胶质淋巴系统功能下降。此外，还观察到tau蛋白以及CD3+、CD4+和CD8+T细胞在脑内的异常累积，在海马区发生微血管痉挛、神经胶质细胞异常活化、神经细胞凋亡等病理变化。这些结果表明，SAH会造成胶质淋巴系统功能的持续性损伤，这些损失同时又会进一步加重SAH 的神经病理损害。胶质淋巴系统是改善SAH损害和急性后遗症的重要靶点，多项动物研究表明，在SAH 的背景下，恢复或改善淋巴功能可以减少血管源性脑水肿，减少组织损伤，并保留长期的神经功能［45］。

急性缺血性脑卒中：使用大脑中动脉闭塞小鼠模型进行研究，发现在大脑中动脉闭塞7 周后，梗死灶中心ISF 仍含有高水平的对皮质和海马神经元有毒的促炎性细胞因子，而在闭塞7周后向坏死性梗死灶中心注入荧光示踪剂，可以观察到梗死灶中心的物质通过胶质瘢痕间隙流出，并沿着静脉PVS 从脑内运出，因此增强大脑胶质淋巴清除功能可能在治疗缺血性脑卒中发挥重要作用［46］。另一项研究发现，非缺氧性损伤诱导的大脑皮质扩散性抑制（始于缺血灶中心的神经元的大规模去极化，可能导致卒中后周围缺氧组织中的神经元死亡）会导致动脉和静脉PVS完全闭合长达10 min，随后逐渐重新开放，但在第一个30 min 内不能完全恢复到基线管径，提示胶质淋巴系统受损可能与缺血性脑卒中病理变化有关［47］。

3.4 创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）中到重度创伤性脑损伤（TBI）是包括AD在内的神经退行性变的独立危险因素，单次TBI发作会增加日后患痴呆症的风险［48］。研究表明小鼠在发生TBI后，胶质淋巴系统功能严重受损，运送和清除脑内tau蛋白的能力明显变弱，且损伤至少持续到伤后1 个月，AQP-4基因敲除小鼠发生创伤性脑损伤后脑内磷酸化tau蛋白积聚程度更为严重。这些结果提示，脑外伤后慢性胶质淋巴通路功能受损可能是导致创伤后脑内tau 聚集和神经退行性变的关键因素［22］。一项荟萃分析显示在TBI 中AQP-4 的改变与S100B、GFAP 和NSE 等目前已知的脑损伤标志物的积累有关，同时AQP-4 功能的改变更容易发生水肿造成继发性脑损伤［49］。

4 结语与展望

目前关于胶质淋巴系统仍有许多需要解决的问题，如关于PVS的精准解剖结构及边界位置关系，以及在结构基础上产生的胶质淋巴系统内不同方向的液体流动等，这些对于深入了解胶质淋巴系统的功能具有重要的帮助。此外关于胶质淋巴系统结构的研究大多是通过动物实验，但是相对于动物大脑而言，人类大脑拥有着更复杂的结构功能、更高的神经元密度以及更紧密的神经连接，因此，基于人体大脑实验方面的研究仍然非常必要。随着胶质淋巴系统在人体中的功能逐渐被发现，未来关于胶质淋巴系统的研究必将为中枢神经系统相关疾病的发病机制、病理过程乃至治疗靶点开辟新的途径。